DE2944124C2 - Spannungswellen-Getriebe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Spannungswellen-Getriebe, als Weiterentwicklung des gleichzeitigen deutschen Patents 29 44 123.

Aus der DE-PS 11 35 259 ist bekannt, daß für die Erzeugung und Fortpflanzung der Spannungswelle auch anders als mechanische, nämlich beispielsweise hydraulische Mittel in Betracht kommen.

Der Stand der Technik offenbart jedoch keine Lehre zur Erhöhung der Abstützwirkung bei hohen Druckdifferenzen zwischen Außen- und Innenseite des Spannungswellenrades und zur Vermeidung bzw. Herabsetzung von tangentialon Schubkräften, die auf dessen Wand durch Reibung des Spannungswellenerzeugers verursacht werden.

Auch hatte man schon seinerseits erkannt, daß die Verwendung eines Kugellagers für den Spannungswellen-Erzeuger wesentlich zur Herabsetzung der Reibungskoeffizienten und zur Erhöhung des Wirkungsgrades beitragen kann. Man hat dort zwischen dem inneren Laufring und einem äußeren Laufring Kugeln vorgesehen. Die Kugeln sitzen mit enger Passung in den Laufringen, und durch das Spreizen des inneren Laufringes wird der äußere Laufring in eine etwa elliptische Form gebracht. Beim Drehen des Laufringes wird im Spannungsrad eine Welle um den äußeren Laufring herum fortgepflanzt. Um das Erzeugen einer einwandfreien Welle zu gewährleisten, welche die Drehmitnahme durch die Wand des Spannungsrades hindurch mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht, wurde empfohlen, Kugellager mit mindestens 36 Kugeln zu verwenden.

In diesem Zusammenhang wurde weiter erkannt, daß der äußere Laufring dieses Kugellagers ausreichend dünn sein muß, um zu verhindern, daß er über seine Dauerbiegungsfestigkeit hinaus beansprucht wird. Das Spreizen des durch die Laufringe gebildeten Lagers bedingt, daß die Kugeln zusätzliches Spiel, mit Ausnahme am Scheitelpunkt der Welle, haben. Da eine Belastung des Lagers zur Seite der Welle hin auftritt, muß der innere Laufring auf jeder Seite des Scheitelpunktes abgestützt sein.

Die Anordnung der Kugeln und der Laufringe ^für die verschiedenen Belastungen und Durchmesser war bereifi früher als recht problematisch erkannt worden.

ίο Verschiedene Detail-Ausführungsvorschläge wurden daher mitgeteilt. Jedoch wurde auch darauf hingewiesen, daß trotz der starken Stoßdämpfung und hohen Stoßfestigkeit ein Betrieb dieser bisher angewandten Spannungswellengetriebe unter hoher Belastung nicht zu empfehlen sei, da hierdurch zusätzliche Beanspruchungen im Spannungsrad entstehen. So stellt beispielsweise der Umstand, daß diejenigen Getriebezähne, welche die Belastung aufnehmen, sich nicht genau am Scheitelpunkt der umlaufenden Welle befinden, bei hohen Belastungen das Bestreben haben, die Form der Spannungswelle zu verzerren oder zu verschieben, einen Schwachpunkt dar, der durch Stöße, Erhitzung usw. verstärkt wird. Dies hat zu der Erkenntnis geführt, daß das Spannungsrad auch an der Seite der Spannungswelle abgestützt sein muß. Die dafür vorgesehenen Kugeln erfüllen indessen die besonders bei hohen Druckdifferenzen zwischen Außen- und Innenseite gestellte Forderung nach möglichst gleichmäßige.· Abstützung nur sehr unvollkommen. Aufgrund der starken Deformation und hohen Anlage-Drücke ist die Forderung nach intensiver Schmierung verständlich. Die Verwendbarkeit des an sich bekannten Spannungswellen-Getriebes für hohe Belastungen und erhöhte Umgebungs-Temperaturen und -Drücke sowie Langzeitbetrieb bzw. Stoßbelastungen, wie sie z. B. auch bei Handhabungsgeräten usw. vorkommen können, ist aufgrund dieser Zusammenhänge noch sehr eingeschränkt. Auch stellt der Einbau der Kugellager und der verschiedenen zusätzlichen Laufringe usw. sowie die Wechsel- und Beulbeanspruchung der dünnen Wand des Spannungsrades erhöhte materialmäßige und fertigungstechnische Anforderungen, die den Einsatz solcher Getriebe auch aus Preisgründen behindern. Da die Kugellagerbelastung bei der bekannten Ausführungsform überdies den gebräuchlichen Rahmen für normale Kugellager-Einsätze weit übersteigt und damit auch eine geringere Lebensdauer verbunden ist, mußte bisher bei vielen an sich möglichen Anwendungsfällen auf konventionelle Getriebe zurückgegriffen werden.

Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist es daher, das Spannungswellen-Getriebe nach Patent (P 29 44 123.4) so zu verbessern, daß es sich für hohe Belastungen, Langzeitbetrieb und ggf. auch für höhere Umgebungstemperaturen eignet. Außerdem soll die Anzahl der benötigten Teile reduziert und deren Verschleiß gemindert werden. Eine weitere Aufgabe kann es sein, eine im Betrieb nachregulierbare Spreizkraftwirkung und Schmierungsintensität-Beeinflussung vorzusehen. Insbesondere sollen die punkt- bzw. linienförmigen Belastungen des dünnwandigen Spannungsrades durch eine deutlich gleichmäßigere, allseitige Abstützung ersetzt werden. Damit wird es auch möglich sein, den Ablauf der Eingriffsbewegungen der Getriebezahnräder frei von Vibrationen und anderen Unregelmäßigkeiten zu halten.

Die Vorteile der Erfindung haben die vorerwähnten Probleme auf eine überraschende Weise lösbar gemacht. Mit der Einführung der an sich bekannten,

aber für die Abstützungsverbesserung von Spannungswellenerzeugern noch nicht in Betracht gezogenen Konstruktionsgrundsätze der hydrostatischen Lagerung wird eine am gesamten Umfang sich gleichmäßig auswirkende Flächenbelastung bei gleichzeitiger inten- ο sivster Schmierung mit nur ganz wenigen Bauelementen erreicht Es können keine Vibrationen durch einen Kugelumlauf mehr entstehen. Im Bereich der dünnen Wand des Spannungsrades werden Reibungswärme-Konzentrationen und Verschleiß auf ein Minimum reduziert Die erfindungsgeimäße Anwendung eines Druckmittelumlaufes schließt Trockenlauf-Erscheinungen aus und kann dazu beitragen, bei Anwendungen mit erhöhter Umgebungstemperatur einen Wärmestau an der kritischen Stelle des Getriebes auszuschließen. Der Anschluß des hydrostatischen Lagers an eine Druckquelle für Drücke, die bei Bedarf weit höher, als lediglich fü." den internen Umlauf erforderlich, liegen können, bietet nun insbesondere die Möglichkeit, Lei topfartig ausgebildeten Spannungsrädern (z. B. ähnlich Fig. 44 der DE-PS 11 35 259) die dünne Wand des Spannungsrades gegen die Beulbelastung aus evtl. erhöhten Umgebungsdrücken auf der Abtriebsseite durch entsprechende Druckmittel-Pressung zusätzlich abzustützen. Die Fähigkeit eines Druckmittels, im Gegensatz zu Wälzlagern sich ohne Punkt- oder Linienbelastungen den sich bei Drehung ständig ändernden verspannbaren Konturen des Spannungsrades fortlaufend anzupassen, ergibt eine erheblich niedrigere Festigkeitsbeanspruchung, insbesondere für das ständigem Lastwechsel ausgesetzte Spannungsrad. Durch die auf der gesamten Fläche am Antriebsdurchgang zwischen dem Spannungswellen-Erzeuger und dem Spannungsrad angeordneten Drucktaschen, welche untereinander durch schmale Dichtleisten abgegrenzt sind und über mindestens einen Verbin· dungskanal je Drucktasche mit einer Druckmittelquelle verbunden sind, die ihrerseits saugseitig mit dem Rücklauf aus den Dichtspalten auf den Stirnseiten des Spannungswellen-Erzeugers bzw. der an ihn anschließenden Stützelemente verbunden ist, wird eine gleichmäßige Bespülung nahezu des gesamten Antriebsdurchganges mit Kühl- bzw. Schmierflüssigkeit erreicht. Die Reibungseffekte werden damit ganz erheblich gesenkt und Verschleiß und Leistumgsverlust ebenfalls deutlich vermindert.

Ein derartiges Spannungswellengetriebe ist infolgedessen höheren Belastungen, längeren Betriebszeiten und auch höheren Umgebungstemperaturen besser gewachsen als die mit den bisher für diesen Einsatzbereich gebräuchlichen Lagerel<:menten mit ausschließlieher Gleit- bzw. Rollreibung arbeitenden Konstruktionen. Es ist dabei möglich, den eigentlichen Spannungswellen-Erzeuger, welcher gekennzeichnet ist durch vorzugsweise zwei auf dem Umfang diametral einander gegenüberliegende Erhebungen, zusammen mit evtl. an- bzw. abtriebsseitig vor- bzw. nachgeordneten zusätzlichen Stützelementen, welche sich zu der dem Spannungswellen-Erzeuger abgewEindten Seite hin auf einen Kreisquerschnitt hin verjüngen, als ein gemeinsames Werkstück auszuführen. Die Fertigung und Montage bzw. auch Reparaturen können damit deutlich erleichtert werden.

Der an sich auch für hydrostatische Lager konventioneller Art bekannte Vorteil der gleichmäßigen Druckausbreitung in Flüssigkeiten kann (siehe z. B. G. Siebers, »Hydrostatische Lagerungen und Führungen«, Blaue TR-Reihe Heft 97, Verlag Hallwag, Bern und Stuttgart) bei der erfindungsgemäßen Konstruktion auch genutzt werden, um den Eingriff der Getriebezahnräder, welcher vom Durchfederungsverhalten der Wand des Spannungsrades abhängig ist, durch entsprechende Arbeitsdruck-Anpassung zum Nachregulieren der Vorspannung zwischen Spannungsweilen-Erzeuger und Spannungsrad ohne Bauteileauswechslung zu optimieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der E-findung sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben. Mit der Ausgestaltung des Spannungswelien-Getriebes nach Anspruch 2 wird über die vorerwähnten Vorteile hinaus noch erreicht, daß an dem hydrostatischen Lager abtriebsseitig eine einfache Drosselstellenanordnung entsteht, die eine sichere, gleichmäßige Druckverteilung auf alle Verbindungskanäle zu den einzelnen Drucktaschen bei minimaler Querschnittsschwächung der Welle erlaubt. — Falls Feinregulierungen nötig werden, brauchen nur Düsen auswechselbar eingesetzt zu werden. —

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird erreicht, daß der Spannungswellen-Erzeuger über an ihn nach beiden Seiten anschließende Verlängerungen noch zusätzliche Abstüufunktionen gegen evtl. Beulkräfte von außen übernehmen kann. Außerdem mindert eine Vergrößerung der wirksamen Fläche des Radiallagers nach diesem Anspruch die spezifische Flächenbelastung zwischen Spannungs-ad und Spannungswellen-Erzeuger. Zudem steht eine größere Fläche für intensiven Wärme-Abtransport zur Verfugung.

Die Darstellung der Erfindung erfolgt anhand schematischer Zeichnungen und wird nachstehend näher erläutert

Fig. 1 ist eine Darstellung, die den prinzipiellen Aufbau des bevorzugten Beispiels eines erfindungsgemäßen Spannt.ngswellen-Getriebes mit hydrostatischem Lager verdeutlicht;

F i g. 2 ist ein Schnitt durch den Spannungswellen-Erzeuger und verdeutlicht die am Schnittpunkt stattfindende, fortlaufende Deformation des Spannungsr.-ides durch den etwa elliptisch geformten Spannungswellen-Erzeuger;

F i g. 3 ist eine Raumbilddarstellung eines Spannungswellen-Erzeugeis mit beidseitig vorgeordneten Verlängerungen bzw. Stützkörpern;

Fig.4 zeigt nochmals die Außenkontur des Spannungswellen-Erzeugers in der Mitte; F i g. 5 zeigt die Kontur der Verlängerungen am Ende. Das Beispiel nach F i g. 1 zeigt eine mögliche Anwendung für einen Armaturenstelltrieb, bei dem im Armaturengehäuse 1 über einen Einbauflansch 2 das komplette Spannungswellen-Getriebe von der Stirnseite 3 her eingesetzt ist. Das Spannungsrad 4 ibt mittels seines Bundes 5 gegen die Stirnseite 3 des Einbauflansches 2 stationär abgedichtet. Ein antriebsseitiger Stützkörper 6 (Verlängerung des Spannungswellen-Erzeugers) kann mit seinem zylindrischen Auslaufende bereits vom offenen Ende des Spannungsrades an seine Abstützwirkung gegen Beulkräfte oder Einknicken zur Wirkung bringen.

Der Antrieb erfolgt über eine im Antriebswellenlager 7 konventionell gelagerte Antriebswelle 8, mit deren Ende 9 der Antriebsmotor 10 in Triebverbindung steht. Der abtriebsseitige Stützkörper 11, welcher dem Boden des Spannungsrades 12 vorgeordnet ist und eine gemeinsame Rotationsachse 13 mit dem Spannungswellen-Erzeuger 14 hat, besitzt ebenfalls am freien Ende Kreisquerschnitt und hat am Übergang zum Spannungswellen-Erzeuger 14 dessen etwa elliptischen Quer-

schnitt. Die Außenverzahnung 15, welche von den beiden umlaufenden Erhebungen des Spannungswellen-Erzeugers 14 wellenförmig in die Verzahnungen des ersten Ringrades 16 und zweiten Ringrades 17 gepreßt wird, ruft eine erhebliche Drehzahlminderung hervor, welche von der Kupplungsglocke 18 zu einem Verstellglied 19 weitergeleitet werden kann. Das dem Spannungswellen-Erzeuger 14 zugeordnete hydrostatische Radiallager 20 wird von der in Form einer Zahnradpumpe oder dergleichen gebildeten Druckmittelquelle 21 gespeist. Der Zulaufdruckregler 22 erlaubt es in der Einspeiseleitung 23 bzw. im Zulaufsammeiraum 24. einen stets konstanten Druck sicherzustellen. Zur Versorgung des hydrostatischen Radiallagers 20 ist in der Antriebswelle 8 ein Hauptkanal 25 vorgesehen, der vor dem freien Ende hinter der abtriebsseitigen Verlängerung des Spannungswellen-Erzeugers 14 verschlossen ist. Am Hauptkanal 25 sind Verbindungskanäle 26 zu den Drucktaschen 27, 28 vorgesehen, welche diese bei gleichen Strömungswiderständen für jede Drucktasche 27, 28 mit der Einspeiseleitung 23 bzw. mit dem Zulaufsammeiraum 24 verbinden. Die Drucktaschen sind untereinander durch Dichtleisten 29, welche mit dem Spannungswellen-Erzeuger 14 bzw. den vorgeordneten Stützkörpern 6, 11 umlaufen, bis auf minimale Dichtspalte 30 zur Wand des Spannungsrades 4 verschlossen.

Mit den Dichtleisten, welche die Drucktaschen auch in axialer Richtung unterteilen, wird erreicht, daß trotz der vergrößerten Länge des Radiallagers und unabhängig von der Einbaulage stets in allen Drucktaschen genügend Öldruck vorhanden ist. Es ist dabei gleichgültig, ob die Dichtleisten als fest mit dem Rotor des Spannungswellen-Erzeugers verbundene Stege oder als diesem nur übergestülpter »Korb« ausgebildet sind.

In die Dichtleisten 29 sind Rückflußkanäle 34 eingearbeitet, die nur zum Rückflußsammeiraum 35 freien Austritt haben. Durch ständigen Druckausgleich zwischen den einzelnen Drucktaschen und den Kanälen 34 ergibt sich zwischen der Innenwand des Spannungsrades 4 und dem Spannungswellen-Erzeuger 14 eine berührungslose Dichtung 31. Der Überschuß an Druckmittel, welcher im Einbauzustand immer aufrechterhalten bleiben sollte, bewirkt hier über die kapillaren Verbindungskanäle 26 bzw. ihre Rückflußdrosselstellen 33 mit einem deutlichen Druckgefälle in die eigenen Rückflußkanäle 34 zum Rückflußsammelraum 35 eine gleichmäßige Verteilung unter stetiger Schmier- und Abstützwirkung über der gesamten Oberfläche. Über einen Rückflußdruckregler 36 und ggf. Kühler 37 kann das Druckmittel zum Vorlagebehälter 38 zurückfließen. In der bevorzugten Ausführung wurde der Voriagebehäiter 38 ais Gehäuse eines Vorgeiege-Getriebes 39 ausgebildet. Dieses Vorgelege-Getriebe 39 ist hier über die Antriebslaterne 40 mit dem Armaturengehäuse 1 fest verbunden.

Durch Zulauf- und Rücklauf-Druckregler in den Einspeise- und Rückfluß-Leitungen, welche bei Stillstand den FüIIdruck in den Drucktaschen halten, wird erreicht, daß auch bei nicht betriebenem Spannungswel-Ien-Getriebe der FüIIdruck im hydrostatischen Lager bzw. den Drucktaschen weitestgehend aufrechterhalten bleibt so daß auch bei stillstehendem Getriebe der Vorteil der zusätzlichen Abstützung gegen Einbeul-Beanspruchungen erhalten bleibt

Weiterhin können mittels Druckregler gemäß diesem Anspruch die evtL Beulkräfte aus dem Armaturen-Innenraum teilweise kompensiert werden.

Diese Maßnahmen können selbstverständlich auch voll zur Geltung kommen, wenn das Spannungsrad nicht topfförmig ausgebildet ist und der Abfluß des Druckmittels, beispielsweise in Abtriebsrichtung, in

s einen Maschinensumpf oder dergleichen erfolgen kann. In der Fig. 2 ist eine mögliche Anordnung von Drucktaschen 27, 28 auf dem Spannungswellen-Erzeuger 14 sowie die Anordnung der kapillaren Verbindungskanäle 26 und des Hauptkanals 25 etwa in der

ίο Achse des Spannungswellen-Erzeugers 14 dargestellt.

In der F i g. 3 wird zur besseren Verständlichmachung anhand eines Raumbildes eine mögliche Ausführung für den Spannungswellen-Erzeuger 14 und die daran anschließenden Stützkörper 6,11 mit den Drucktaschen 27,28, den Dichtleisten 29 und den darin eingearbeiteten Rückflußkanälen 34 dargestellt. Selbstverständlich ist die Zahl und Anordnung der Dichtleisten bzw. die Dimensionierung der Drucktaschen, je nach Anwendungsfall, verschieden ausführbar.

Primär ist die Herstellbarkeit eines ausreichend gleichmäßig verteilten Kräftegleichgewichtes zwischen Kontraktions- und Expansionsspannungen.

Die Kontur des Spannungswellen-Erzeugers, etwa in der Mitte der Außenverzahnung 15, zeigt F i g. 4 und die Kontur der Stützkörper an ihren Enden (praktisch kreisförmig) zeigt F i g. 5. Der axiale Querschnittsübergang ist absatzlos und entsprechend der zugelassenen Beulkurve des Spannungsrades 4.
Die Anwendung des hydrostatischen Lagerungsprinzips auf Spannungswellen-Getriebe kann selbstverständlich auch dann vorgenommen werden, wenn die Verbindungskanäle zur Versorgung der einzelnen Drucktaschen in das Spannungsrad selbst eingearbeitet werden.

Mit Ruckfiußkanäien, weiche in die Dichtleisten eingearbeitet sind und nur zum Rückflußsammelraum freien Austritt haben, wird erreicht, daß ein ausreichendes und an allen Dichtleisten gleiches Druckgefälle gesichert ist und daß im Druckmittelumlauf das

erwärmte Öl rasch aus den Schmierspalten zwischen Dichtleisten und Innenwand des Spannungsrades abfließen kann.

Die Funktion des Spannungswellen-Getriebes ist gekennzeichnet durch die praktisch berührungslose Dichtung zwischen Spannungswellen-Erzeuger 14 und der Innenwand des Spannungsrades 4. Das über die Bohrungen in den Drucktaschen 27, 28 aus den Verbindungskanälen 26 ausströmende Druckmittel fließt über die Dichtleisten 29 auf gesamter Breite bzw. Länge in die Rücklaufkanäle 34 ab. Durch Drosselstellen 33 bzw. durch Zulauf- und Ablaufregler 22, 36 kann ein so ausgewogenes Druckgleichgewicht zwischen Beulspannung und Flüssigkeitsdruck hergestellt werden, uaS eine freischwimmende und dennoch allseits gleichmäßige Abstützung gegenüber dem Spannungsrad 4 bei gleichzeitiger intensiver Kühlung und Schmierung stets gewährleistet ist Die Antriebswelle 8 kann selbstverständlich auch über beliebige andere Antriebe bewegt und die Druckmittelquelle 21 auch unabhängig betrieben werden.

Durch Kombination des Antriebes für Spannungswellen-Erzeuger und Druckmittelquelle wird erreicht, daß die Pumpe zur Versorgung der hydrostatischen Lager mit dem Antriebsmotor des Spannungswellen-Getriebes in unmittelbarer Triebverbindung steht Es braucht also weder ein separater Antriebsmotor für die Pumpe noch eine separate Antriebssteuerung dafür vorgesehen werden.

Durch einen Druckmittel-Vorlagebehälter, der auch Gehäuse eines dem Spannungswellen-Getriebe vorgeordneten Vorgelegegetriebes ist, wird erreicht, daß für die Druckmittelversorgung zumindest dann kein separater Ölbehälter nötig ist, wenn zur Schmierung des Vorgelegegetriebes das gleiche Öl verwendet werden kann wie für das hydrostatische Lager. Die Vorteile liegen dabei insbesondere in der kompakten und

einfachen Bauweise.

Durch einen Kühler, der in der Rücklauf-Sammelleitung angeordnet ist, wird erreicht, daß auch bei Dauerbetrieb oder heißem Medium im Armaturengehäuse eine rasche Regenerierung des Umlauföles erfolgt. Erforderlichenfalls könnte sogar noch ein ebenfalls vom gemeinsamen Antriebsmotor angetriebenes Lüftergebläse die Leistung des Kühlerserhöhen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

830 215/565

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Spannungswellen-Getriebe mit einem Spannungswellen-Erzeuger und einem von diesem verformbaren Spannungsrad, das über eine Verzahnung mit einem oder mehreren Zahnkränzen in etwa konzentrischer Anordnung triebmäßig verbunden ist, wobei zwischen dem Spannungswellen-Erzeuger und dem Spannungsrad Radiallager vorgesehen sind und die Spannungswelle auf hydraulischem Wege erzeugt und fortgepflanzt wird, nach Patent 29 44 123, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel und der Spannungswellen-Erzeuger als Radiallager (20) mit hydrostatischem Druckausgleich ausgebildet sind, die von einem gemeinsamen Versorgungszentrum beaufschlagt werden.

2. Spannungswellen-Getriebe nach Anspiuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aL Drosselstellen (33) kapillare Bohrungen in Zuführungen von einem gemeinsamen, in der Rotationsachse (13) des Spannungswellen-Erzeugers (14) vorgesehenen Hauptkanal (25) angeordnet sind.

3. Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verlängerungen (6,11) des Spannungswellen-Erzeugers (14) nach beiden Seiten in axialer Richtung vorgesehen sind, deren Konturen im Bereich des Spannungsrades (4) dessen innerer bzw. äußerer Kontur angepaßt sind.